JP2018129169A - 二次電池用電解液、二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二次電池は、正極と、負極と、(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、その溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)溶媒中における炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)電解質塩のモル数M1に対する炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)スルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む電解液とを備えている。
【選択図】図1
Description
1.二次電池用電解液
2.二次電池
3.二次電池の用途
3−1.電池パック(単電池)
3−2.電池パック(組電池)
3−3.電動車両
3−4.電力貯蔵システム
3−5.電動工具
まず、本技術の一実施形態の二次電池用電解液に関して説明する。
電解液は、溶媒および電解質塩を含んでいる。この電解質塩は、溶媒中において溶解されていてもよいし、溶媒中において分散されていてもよい。
この電解液では、電解質塩を用いて電極反応を十分に進行させながら、電解液(主に、炭酸エチレン)の分解反応に起因するガス(主に、二酸化炭素)の発生を抑制するために、電解質塩と炭酸エチレンとの混合比が適正化されている。
スルホン化合物は、下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表される化合物のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
第1スルホン化合物は、式(1)から明らかなように、スルホン酸結合(−S(=O)2 −O−)を含んでいる鎖状の化合物である。
第2スルホン化合物は、式(2)から明らかなように、スルホン酸結合(−S(=O)2 −O−)を含んでいる環状の化合物である。
第3スルホン化合物は、式(3)から明らかなように、スルホン酸カルボン酸無水物結合(−C(=O)−O−S(=O)2 −)を含んでいる環状の化合物である。
第1スルホン化合物の具体例は、例えば、下記の式(1−1)〜式(1−4)のそれぞれで表される化合物などである。第1スルホン化合物に起因する被膜が形成されやすくなるからである。
なお、溶媒は、上記したように、炭酸エチレンおよびスルホン化合物と共に、他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
電解質塩は、例えば、リチウム塩などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、電解質塩は、例えば、リチウム塩以外の塩を含んでいてもよい。
(mおよびnのそれぞれは、1以上の整数である。)
(p、qおよびrのそれぞれは、1以上の整数である。)
この電解液は、例えば、以下の手順により製造される。
この電解液によれば、溶媒(炭酸エチレン)およびスルホン化合物を含んでおり、電解液中における電解質塩の含有量、溶媒中における炭酸エチレンの含有量およびモル比M2/M1のそれぞれに関して上記した3つの条件が同時に満たされている。
次に、上記した電解液を用いた二次電池に関して説明する。
この二次電池は、いわゆるラミネートフィルム型の電池構造を有するリチウムイオン二次電池である。すなわち、例えば、図1に示したように、ラミネートフィルム型の二次電池では、フィルム状の外装部材40の内部に、電池素子である巻回電極体30が収納されている。
正極33は、例えば、図2に示したように、正極集電体33Aと、その正極集電体33Aの両面に設けられた正極活物質層33Bとを含んでいる。ただし、正極活物質層33Bは、正極集電体33Aの片面だけに設けられていてもよい。
(M11は、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜eは、0.8≦a≦1.2、0<b<0.5、0≦c≦0.5、(b+c)<1、−0.1≦d≦0.2および0≦e≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
(M12は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜dは、0.8≦a≦1.2、0.005≦b≦0.5、−0.1≦c≦0.2および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
(M13は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜dは、0.8≦a≦1.2、0≦b<0.5、−0.1≦c≦0.2および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
(Mは、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ストロンチウム(Sr)、セシウム(Cs)、バリウム(Ba)、インジウム(In)およびアンチモン(Sb)のうちの少なくとも1種である。Xは、ハロゲン元素である。x、y、z、aおよびbは、0.8<x≦1.2、0≦y≦1.0、0.5≦z≦1.0、0≦a≦1.0、1.8≦b≦2.2およびy<zを満たす。
(M14は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a〜dは、0.9≦a≦1.1、0≦b≦0.6、3.7≦c≦4.1および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
(M15は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)のうちの少なくとも1種である。aは、0.9≦a≦1.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
(xは、0≦x≦1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、xは完全放電状態の値である。)
負極34は、例えば、図2に示したように、負極集電体34Aと、その負極集電体34Aの両面に設けられた負極活物質層34Bとを含んでいる。ただし、負極活物質層34Bは、負極集電体34Aの片面だけに設けられていてもよい。
セパレータ35は、例えば、図2に示したように、正極33と負極34との間に配置されている。このセパレータ35は、正極33と負極34とを隔離すると共に、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させる。
電解液は、上記した本技術の電解液と同様の構成を有している。すなわち、電解液では、溶媒が炭酸エチレンを含んでいると共に、電解質塩と炭酸エチレンとの混合比が適正化されている。すなわち、電解液中における電解質塩の含有量、溶媒中における炭酸エチレンの含有量およびモル比M2/M1のそれぞれに関して、上記した3つの条件が同時に満たされている。
この二次電池は、例えば、以下のように動作する。
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
このラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池によれば、電解液が本技術の電解液と同様の構成を有している。これにより、上記したように、電解質塩を用いて充放電反応を十分に進行させながら、電解液の分解反応に起因するガスの発生が抑制される。よって、二次電池を繰り返して使用しても、放電容量が低下しにくくなると共に二次電池が膨れにくくなるため、優れた電池特性を得ることができる。
次に、上記した二次電池の適用例に関して説明する。
図3は、単電池を用いた電池パックの斜視構成を表している。図4は、図3に示した電池パックのブロック構成を表している。なお、図3では、電池パックが分解された状態を示している。
図5は、組電池を用いた電池パックのブロック構成を表している。
図6は、電動車両の一例であるハイブリッド自動車のブロック構成を表している。
図7は、電力貯蔵システムのブロック構成を表している。
図8は、電動工具のブロック構成を表している。
以下の手順により、図1および図2に示したラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を作製した。
表4〜表6に示したように、正極活物質の種類を変更したことを除いて、実験例1−1〜1−37と同様の手順により、二次電池を作製すると共に、その二次電池の電池特性(膨れ特性、保存特性およびサイクル特性)を調べた。
(1)
正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、二次電池。
(2)
前記1価の飽和炭化水素基は、アルキル基、シクロアルキル基およびそれらのうちの2種類以上が互いに結合された1価の基のうちのいずれかであり、
前記1価の不飽和炭化水素基は、アルケニル基、アルキニル基、アリール基およびそれらのうちの2種類以上が互いに結合された1価のうちのいずれかであり、
前記2価の不飽和炭化水素基は、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基およびそれらのうちの2種類以上が互いに結合された基のうちのいずれかである、
上記(1)に記載の二次電池。
(3)
前記式(1)に示した化合物は、下記の式(1−1)〜式(1−4)のそれぞれで表される化合物のうちの少なくとも1種を含み、
前記式(2)に示した化合物は、下記の式(2−1)〜式(2−3)のそれぞれで表される化合物のうちの少なくとも1種を含み、
前記式(3)に示した化合物は、下記の式(3−1)〜式(3−3)のそれぞれで表される化合物のうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)または(2)に記載の二次電池。
前記電解液中における前記スルホン化合物の含有量は、0.01重量%以上10重量%以下である、
上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の二次電池。
(5)
前記溶媒は、環状炭酸エステルと、鎖状炭酸エステルおよび鎖状カルボン酸エステルのうちの少なくとも一方とを含み、
前記環状炭酸エステルは、前記炭酸エチレンを含み、
前記鎖状炭酸エステルは、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルのうちの少なくとも一方を含み、
前記鎖状カルボン酸エステルは、プロピオン酸エチルおよびプロピオン酸プロピルのうちの少なくとも一方を含む、
上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の二次電池。
(6)
前記環状炭酸エステルは、さらに、炭酸プロピレンを含み、
前記溶媒中における前記炭酸プロピレンの含有量は、30重量%以下である、
上記(5)に記載の二次電池。
(7)
前記電解質塩は、リチウム塩のうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の二次電池。
(8)
前記正極、前記負極および前記電解液のそれぞれは、フィルム状の外装部材の内部に収納されている、
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の二次電池。
(9)
リチウムイオン二次電池である、
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池。
(10)
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒は炭酸エチレンを含み、
(B)前記電解質塩の含有量は0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、
(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量は10重量%以上30重量%以下であり、
(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1は0.4以上2.4以下であり、
(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、
二次電池用電解液。
二次電池用電解液。
(11)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と、
前記制御部の指示に応じて前記二次電池の動作を切り換えるスイッチ部と
を備えた、電池パック。
(12)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と
を備えた、電動車両。
(13)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備えた、電力貯蔵システム。
(14)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池から電力を供給される可動部と
を備えた、電動工具。
(15)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池を電力供給源として備えた、電子機器。
Claims (15)
- 正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、二次電池。
- 前記1価の飽和炭化水素基は、アルキル基、シクロアルキル基およびそれらのうちの2種類以上が互いに結合された1価の基のうちのいずれかであり、
前記1価の不飽和炭化水素基は、アルケニル基、アルキニル基、アリール基およびそれらのうちの2種類以上が互いに結合された1価のうちのいずれかであり、
前記2価の不飽和炭化水素基は、アルケニレン基、アルキニレン基、アリーレン基およびそれらのうちの2種類以上が互いに結合された基のうちのいずれかである、
請求項1記載の二次電池。 - 前記電解液中における前記スルホン化合物の含有量は、0.01重量%以上10重量%以下である、
請求項1記載の二次電池。 - 前記溶媒は、環状炭酸エステルと、鎖状炭酸エステルおよび鎖状カルボン酸エステルのうちの少なくとも一方とを含み、
前記環状炭酸エステルは、前記炭酸エチレンを含み、
前記鎖状炭酸エステルは、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルのうちの少なくとも一方を含み、
前記鎖状カルボン酸エステルは、プロピオン酸エチルおよびプロピオン酸プロピルのうちの少なくとも一方を含む、
請求項1記載の二次電池。 - 前記環状炭酸エステルは、さらに、炭酸プロピレンを含み、
前記溶媒中における前記炭酸プロピレンの含有量は、30重量%以下である、
請求項5記載の二次電池。 - 前記電解質塩は、リチウム塩のうちの少なくとも1種を含む、
請求項1記載の二次電池。 - 前記正極、前記負極および前記電解液のそれぞれは、フィルム状の外装部材の内部に収納されている、
請求項1記載の二次電池。 - リチウムイオン二次電池である、
請求項1記載の二次電池。 - (A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒は炭酸エチレンを含み、
(B)前記電解質塩の含有量は0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、
(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量は10重量%以上30重量%以下であり、
(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1は0.4以上2.4以下であり、
(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、
二次電池用電解液。
二次電池用電解液。 - 二次電池と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と、
前記制御部の指示に応じて前記二次電池の動作を切り換えるスイッチ部と
を備え、
前記二次電池は、
正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、電池パック。
- 二次電池と、
前記二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と
を備え、
前記二次電池は、
正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、電動車両。
- 二次電池と、
前記二次電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備え、
前記二次電池は、
正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、電力貯蔵システム。
- 二次電池と、
前記二次電池から電力を供給される可動部と
を備え、
前記二次電池は、
正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、電動工具。
- 二次電池を電力供給源として備え、
前記二次電池は、
正極と、
負極と、
(A)溶媒および電解質塩を含むと共に、前記溶媒が炭酸エチレンを含み、(B)前記電解質塩の含有量が0.8mol/kg以上2.0mol/kg以下であり、(C)前記溶媒中における前記炭酸エチレンの含有量が10重量%以上30重量%以下であり、(D)前記電解質塩のモル数M1に対する前記炭酸エチレンのモル数M2の比M2/M1が0.4以上2.4以下であり、(E)下記の式(1)、式(2)および式(3)のそれぞれで表されるスルホン化合物のうちの少なくとも1種を含む、電解液と
を備えた、電子機器。
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